Beschreibung
Buck-Konverter und Verfahren zum Bereitstellen eines Stroms für mindestens eine LED
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Buck-Konverter zum Bereitstellen eines Stroms für mindestens eine LED mit einem Eingang mit einem ersten und einem zweiten Ein- gangsanschluss zum Anschließen einer Gleichspannungsquelle, einem Ausgang mit einem ersten und einem zweiten Aus- gangsanschluss zum Anschließen der mindestens einen LED und einer Buckdiode, einer Buckdrossel und einem Buck- Hauptschalter, der eine Steuerelektrode, eine Arbeitselektrode und eine Bezugselektrode aufweist. Sie betrifft überdies ein entsprechendes Verfahren zum Bereitstellen eines Stroms für mindestens eine LED mittels eines Buck- Konverters .
Stand der Technik
Mit dem Vordringen von LEDs in weite Bereiche der Allgemeinbeleuchtung ergibt sich ein großer Bedarf an einfachen und kostengünstigen Stromversorgungsschaltungen für diese Bauteile. Es gibt mittlerweile eine Vielzahl von insbesondere integrierten Schaltungen, die für derartige Anforderungen konzipiert wurden. Lediglich beispielhaft seien hier angeführt die Bausteine LM3402 der Firma National sowie der Baustein LT3474 der Firma Linear Technology. Derartige integrierte Schaltungen sind jedoch für einen Einsatz in Massenprodukten häufig zu teuer. Es be- steht daher ein Bedarf an einer möglichst kostengünstigen Stromversorgungsschaltung für mindestens eine LED.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen eingangs genannten Buck-Konverter derart weiterzubilden, dass er als möglichst kostengünstige Stromversorgungsschaltung für mindestens eine LED Anwen- düng finden kann. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht überdies darin, ein geeignetes Verfahren zum Bereitstellen eines Stroms für mindestens eine LED mittels eines Buck-Konverters zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgaben werden gelöst durch einen Buck-Konverter mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Bereitstellen eines Stroms für mindestens eine LED mittels einer Buck-Konverters mit den Merkmalen von Patentanspruch 17.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass diese Aufgaben gelöst werden können, wenn ein Buck- Konverter als Zweipunktregler für den an die mindestens eine LED bereitzustellenden Strom aufgebaut wird. Der Buck-Konverter soll insbesondere so aufgebaut werden, dass es ermöglicht wird, den Ein- und Ausschaltzeitpunkt des Buck-Hauptschalters jeweils nur durch die Basis- Emitter-Flussspannung eines Kleinsignalbipolartransistors zu bestimmen. Dadurch ist der Maximalwert und der Minimalwert des Stroms durch die mindestens eine LED einstellbar und damit dessen Mittelwert und dessen Rippel. Aufgrund des bevorzugten Betriebs eines erfindungsgemäßen Buck-Konverters aus einer Niedervolt-Gleichspannungsquelle, kann der Buck-Konverter im Continuous Mode betrieben werden, d. h. der Minimalwert des an die mindestens eine LED bereitgestellten Stroms ist ungleich Null.
Besonders kostengünstig sind gegebenenfalls weitere benötigte aktive Schalter ebenfalls als Bipolartransistoren ausgebildet .
Bei der erfindungsgemäßen Realisierung wird demnach durch den ersten Hilfsschalter der Maximalwert des an die mindestens eine LED bereitgestellten Stroms festgelegt und durch den zweiten Hilfsschalter der Minimalwert dieses Stroms .
Durch diese Maßnahmen lässt sich eine äußerst einfache und kostengünstige Stromversorgungsschaltung für mindestens eine LED realisieren. Bei Verwendung von Bipolartransistoren für die elektronischen Schalter ergeben sich Realisierungskosten und ein Platzbedarf, die unter den entsprechenden Vergleichsgrößen einer Realisierung durch eine integrierte Schaltung liegen.
Wenngleich im Nachfolgenden die vorliegende Erfindung am Beispiel der Speisung aus einer Niedervolt-Gleichspannungsquelle, beispielsweise einer Batterie, dargestellt wird, so ist diese ohne weiteres durch Vorschal- tung einer entsprechenden Gleichrichtung aus einer Netzspannung (100 bis 230 V) speisbar, sofern zumindest die parallel zum Gleichrichterausgang gekoppelten Transistoren durch spannungsfeste Transistoren realisiert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste Spannung und die zweite Spannung derart dimensioniert, dass in der Freilaufphase des Buck-Konverters der erste Hilfsschalter vor dem zweiten Hilfsschalter in den nichtleitenden Zustand übergeht. Damit wird die Möglichkeit eröffnet, sowohl die erste Spannung als auch die zweite Spannung an ohmschen Widerständen abzugreifen, die beide
vom selben Strom durchflössen werden. Der Zeitpunkt, wann welcher Hilfsschalter in den nicht-leitenden Zustand ü- bergeht, kann dadurch auf besonders einfache Weise durch Dimensionierung des zugehörigen ohmschen Widerstands, an dem die entsprechende Spannung abgegriffen wird, eingestellt werden.
Bevorzugt weisen der erste und der zweite Hilfsschalter jeweils eine Steuerelektrode, eine Bezugselektrode und eine Arbeitselektrode auf, wobei die erste Spannung und die zweite Spannung zwischen die Steuerelektrode und die Bezugselektrode des jeweiligen Hilfsschalters gekoppelt sind, wobei in der Freilaufphase des Buck-Konverters die zweite Spannung größer als die erste Spannung ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Buck- Konverter weiterhin einen ersten Shunt-Widerstand und einen zweiten Shunt-Widerstand, wobei die am ersten Shunt- Widerstand abfallende Spannung die erste Spannung darstellt und wobei die am zweiten Shunt-Widerstand abfallende Spannung die zweite Spannung darstellt. Wie bereits erwähnt, kann dann durch einfache Dimensionierung der Shunt-Widerstände festgelegt werden, wann der Buck- Hauptschalter ein- und ausgeschaltet wird. Dadurch werden Maximal- und Minimalwert des an die mindestens eine LED bereitgestellten Stroms auf einfache Weise festgelegt.
Bevorzugt ist der erste Shunt-Widerstand derart angeordnet, dass er in der Aufladephase des Buck-Konverters von dem an die mindestens eine LED bereitgestellten Strom durchflössen wird. Da in der Aufladephase des Buck- Konverters noch kein Strom in dem Zweig fließt, in dem die Buckdiode angeordnet ist, ermöglicht eine derartige
Anordnung des ersten Shunt-Widerstands die Einstellung des Maximalwerts des an die mindestens eine LED bereitgestellten Stroms.
Dabei ist der erste Shunt-Widerstand bevorzugt zwischen den zweiten Ausgangsanschluss und ein Bezugspotential gekoppelt. Dadurch ist die erste Spannung auf das Bezugspotential bezogen und ermöglicht eine besonders einfache Kopplung an den ersten Hilfstransistor, sofern dessen Bezugselektrode ebenfalls an das Bezugspotential gekoppelt ist.
Bevorzugt ist der zweite Shunt-Widerstand derart angeordnet, dass er in der Freilaufphase, nicht jedoch in der Aufladephase des Buck-Konverters, von dem an die mindestens eine LED bereitgestellten Strom durchflössen wird. Damit wird ermöglicht, die an den zwei Shunt-Widerständen abfallenden Spannungen, insbesondere in der Freilaufphase des Buck-Konverters, zueinander in Relation zu setzen. Die Aktivierung des ersten Hilfsschalters zur Beendigung der Aufladephase des Buck-Konverters ist damit von der zweiten Spannung unbeeinflusst .
Bevorzugt ist der zweite Shunt-Widerstand zwischen die Buckdiode und ein Bezugspotential gekoppelt. Auch dabei ergibt sich der Vorteil, dass eine besonders einfache Kopplung der zweiten Spannung an den zweiten Hilfstran- sistor erfolgen kann, wenn dieser ebenfalls mit dem Bezugspotential gekoppelt ist.
Damit die erste und die zweite Spannung unmittelbar an den entsprechenden Shunt-Widerständen abgegriffen und an die entsprechenden Hilfsschalter gekoppelt werden können, ist bevorzugt der erste Shunt-Widerstand kleiner als der
zweite Shunt-Widerstand. Dadurch können beide vom selben Strom durchflössen werden und es ist dennoch sichergestellt, dass die zweite Spannung in der Freilaufphase des Buck-Konverters größer ist als die erste Spannung.
Bei einer besonders kostengünstigen Realisierung sind zumindest der erste und der zweite Hilfsschalter als Bipolartransistoren ausgeführt, wobei die am ersten Shunt- Widerstand abfallende Spannung als Basis-Emitter-Spannung an den ersten Hilfsschalter und die am zweiten Shunt- Widerstand abfallende Spannung als Emitter-Basis-Spannung an den zweiten Hilfsschalter gekoppelt ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst der Buck- Konverter einen dritten Hilfsschalter, der eine Steuerelektrode, eine Arbeitselektrode und eine Bezugselektrode aufweist, wobei die Bezugselektrode des dritten Hilfs- schalters mit einem Bezugspotential gekoppelt ist, wobei die Arbeitselektrode des dritten Hilfsschalters mit der Steuerelektrode des Buck-Hauptschalters gekoppelt ist, wobei die Steuerelektrode des dritten Hilfsschalters mit dem ersten und dem zweiten Hilfsschalter gekoppelt ist. Durch diese Maßnahme steuern der erste und der zweite Hilfsschalter parallel den dritten Hilfsschalter an, der wiederum den Buck-Hauptschalter steuert. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn der erste und der zweite Hilfs- Schalter jeweils eine Steuerelektrode, eine Arbeitselektrode und eine Bezugselektrode aufweisen, wobei die Strecke Arbeitselektrode - Bezugselektrode des ersten Hilfs- schalters und die Strecke Arbeitselektrode - Steuerelektrode des zweiten Hilfsschalters parallel zur Steuerstre- cke, d. h. der Strecke Steuerelektrode - Bezugselektrode, des dritten Hilfsschalters gekoppelt sind. Dies eröffnet
die Möglichkeit, den ersten Hilfsschalter in Emitterschaltung zu betreiben und den zweiten Hilfsschalter in Basisschaltung. Dabei ist zwischen die Bezugs- und die Steuerelektrode des ersten Hilfsschalters die am ersten Shunt-Widerstand abfallende Spannung gekoppelt und zwischen die Steuer- und die Bezugselektrode des zweiten Hilfsschalters die am zweiten Shunt-Widerstand abfallende Spannung .
Besonders bevorzugt ist die Steuerelektrode des dritten Hilfsschalters über einen ohmschen Widerstand mit dem ersten Eingangsanschluss gekoppelt. Dadurch wird sichergestellt, dass der dritte Hilfsschalter bei Anlegen einer Versorgungsgleichspannung an den Eingang des Buck- Konverters den Buck-Hauptschalter einschaltet, um ein An- laufen des erfindungsgemäßen Buck-Konverters zu ermöglichen .
Bevorzugt ist zwischen die Steuerelektrode und die Bezugselektrode des dritten Hilfsschalters ein Kondensator gekoppelt. Dieser dient dazu, das Basispotential des dritten Hilfsschalters beim Übergang der Leitendzustände vom ersten Hilfsschalter auf den dritten Hilfsschalter
(Einfluss der Schaltzeiten der Buckdiode, des ersten und des zweiten Hilfsschalters) so niedrig zu halten, dass der dritte Hilfsschalter und damit der Buck-Hauptschalter während des Abmagnetisierens der Buckdrossel auf den gewünschten Minimalstrom sicher gesperrt bleiben.
Schließlich ist es bevorzugt, wenn die Steuerelektrode des Buck-Hauptschalters über einen ohmschen Widerstand mit dem ersten Eingangsanschluss gekoppelt ist. Dadurch wird das Ausräumen der Basis des Buck-Hauptschalters, so-
fern dieser als Bipolartransistor realisiert wird, beschleunigt .
Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen .
Die mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Buck-Konverter vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten, soweit anwendbar, entsprechend für das erfindungsgemäße Verfahren.
Kurze Beschreibung der Zeichnung (en)
Im Nachfolgenden wird nunmehr ein Ausführungsbeispiel ei- nes erfindungsgemäßen Buck-Konverters unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, die in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Konverters zeigt, näher dargestellt.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausfüh- rungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Buck-Konverters. Dieser weist einen Eingang mit einem ersten El und einem zweiten Eingangsanschluss E2 auf, zwischen denen eine Niedervolt-Gleichspannungsquelle Vl mit vorliegend 9 V gekoppelt ist. Der Eingangsanschluss E2 ist mit einem Be- zugspotential gekoppelt. Zwischen den ersten El und den zweiten Eingangsanschluss E2 ist die Serienschaltung eines Buck-Hauptschalters Q2, einer Buckdiode Dl sowie eines ohmschen Widerstands R2 gekoppelt. Zwischen dem Verbindungspunkt des Buck-Hauptschalters Q2 und der Buckdio- de Dl einerseits und einem ersten Ausgangsanschluss Al
ist eine Buckdrossel Ll gekoppelt. Zwischen dem Ausgangs- anschluss Al und einem zweiten Ausgangsanschluss A2 ist eine LED, die im Schaltbild durch die Serienschaltung von D2, D3, D4 und D5 repräsentiert wird, gekoppelt. Zwischen den Ausgangsanschluss A2 und dem Bezugspotential ist ein ohmscher Widerstand R3 gekoppelt. Die am ohmschen Widerstand R3 abfallende Spannung wird über einen ohmschen Widerstand R7 an die Basis eines ersten Hilfsschalters Q4 gekoppelt, dessen Emitter ebenfalls mit dem Bezugspoten- tial gekoppelt ist. Der Kollektor des ersten Hilfsschal- ters ist über einen ohmschen Widerstand R4 mit dem ersten Eingangsanschluss El gekoppelt. Der Buck-Konverter weist weiterhin einen zweiten Hilfsschalter Q5 auf, dessen E- mitter mit dem Verbindungspunkt zwischen der Buckdiode Dl und dem ohmschen Widerstand R2 gekoppelt ist. Die Basis des zweiten Hilfsschalters Q5 ist über einen ohmschen Widerstand R6 ebenfalls mit dem Bezugspotential gekoppelt. Der Kollektor des zweiten Hilfsschalters Q5 ist über einen ohmschen Widerstand R5 mit dem Verbindungspunkt zwi- sehen dem ohmschen Widerstand R4 und dem Kollektor des ersten Hilfsschalters Q4 gekoppelt. Dieser Verbindungspunkt ist mit der Basis eines dritten Hilfsschalters Q3 gekoppelt, dessen Emitter mit dem Bezugspotential gekoppelt ist. Der Kollektor des dritten Hilfsschalters Q3 ist über einen ohmschen Widerstand Rl mit der Basis des Buck- Hauptschalters Q2 gekoppelt. Zwischen die Basis des dritten Hilfsschalters Q3 und das Bezugspotential ist ein Kondensator Cl geschaltet. Zwischen die Basis des Buck- Hauptschalters Q2 und den ersten Eingangsanschluss ist ein ohmscher Widerstand R8 geschaltet.
Zur Funktionsweise: Nach dem Anlegen einer Gleichspannungsquelle Vl zwischen den ersten El und den zweiten Eingangsanschluss E2 wird der dritte Hilfsschalter Q3 ü- ber den ohmschen Widerstand R4 in den leitenden Zustand geschaltet. Durch den vom Kollektor zum Emitter des dritten Hilfsschalters fließenden Strom wird über den ohmschen Widerstand Rl der Buck-Hauptschalter Q2 in den leitenden Zustand geschaltet. Die Aufladephase des Buck- Konverters hat begonnen. Dabei fließt ein Strom über den Buck-Hauptschalter durch die Buckdrossel, die LED D2 bis D5, über den ohmschen Widerstand R3 und das Bezugspotential zurück zum Ausgang E2.
Wenn die am ohmschen Widerstand R3 abfallende Spannung die Basis-Emitter-Schwellspannung des ersten Hilfsschal- ters Q4 von ca. 0,6 V überschreitet, wird der erste Hilfsschalter Q4 in den leitenden Zustand geschaltet. Dadurch wird der zuvor über den ohmschen Widerstand R4 an den dritten Hilfsschalter Q3 bereitgestellte Basisstrom über den ersten Hilfsschalter Q4 zum Bezugspotential ge- leitet. Der dritte Hilfsschalter Q3 geht dadurch in den nicht-leitenden Zustand über, wodurch als Folge der Buck- Hauptschalter Q2 ausgeschaltet wird. Die Freilaufphase des Buck-Konverters hat begonnen. In der Freilaufphase fließt ein Strom vom Bezugspotential über den ohmschen Widerstand R2, die Buckdiode Dl, die Buckdrossel Ll sowie die LED D2 bis D5 und den ohmschen Widerstand R3 zurück zum Bezugspotential. Durch die am ohmschen Widerstand R2 abfallende Spannung wird der zweite Hilfsschalter Q5 in den leitenden Zustand geschaltet und sorgt damit dafür, dass der dritte Hilfsschalter Q3 und damit der Buck- Hauptschalter Q2 sicher ausgeschaltet bleiben.
In der Freilaufphase des Buck-Konverters geht der an die LED D2 bis D5 bereitgestellte Strom ILED kontinuierlich zurück, wobei jedoch aufgrund der gewählten Dimensionierung die am ohmschen Widerstand R2 abfallende Spannung immer größer ist als die am ohmschen Widerstand R3 abfallende Spannung. Dies führt dazu, dass zunächst der erste Hilfsschalter Q4 in den nicht-leitenden Zustand geschaltet wird. Da jedoch der zweite Hilfsschalter Q5 noch immer im leitenden Zustand ist, bleibt zunächst der dritte Hilfsschalter Q3 und damit der Buck-Hauptschalter Q2 ausgeschaltet. Erst wenn die am ohmschen Widerstand R2 abfallende Spannung soweit abgesunken ist, dass auch der zweite Hilfsschalter Q5 in den nicht-leitenden Zustand übergeht, kann der über den ohmschen Widerstand R4 flie- ßende Strom wieder zur Basis des dritten Hilfsschalters Q3 fließen, diesen einschalten und damit den Buck- Hauptschalter Q2 einschalten.
Demgemäß wird der obere Grenzwert des Stroms ILED bestimmt zu :
iLEDmax = UBEF (Q4 ) /R3
und der untere Grenzwert des LED-Stroms bestimmt zu:
iLEDmin = UBEF (Q5 ) /R2
Die Frequenz des dreieckförmigen Stroms ILED wird bestimmt durch die Eingangsspannung Vl, die an der LED D2 bis D5 abfallende Spannung, die Induktivität der Buckdrossel Ll sowie die Grenzwerte für den minimalen ILEDmin und den maximalen LED-Strom ILEDmax.